stringtranslate.com

Стабилизатор (авиация)

Вертикальные и горизонтальные стабилизаторы на авиалайнере Airbus A380

Стабилизатор самолета — это аэродинамическая поверхность, обычно включающая одну или несколько подвижных поверхностей управления , [1] [2] , которая обеспечивает продольную (тангаж) и/или направленную (рыскание) устойчивость и управление. Стабилизатор может иметь фиксированную или регулируемую конструкцию, на которой шарнирно закреплены любые подвижные поверхности управления, или он сам может быть полностью подвижной поверхностью, такой как стабилизатор . В зависимости от контекста, «стабилизатор» иногда может описывать только переднюю часть общей поверхности.

В обычной конфигурации самолета отдельные вертикальные (плавник) и горизонтальные ( хвостовая плоскость ) стабилизаторы образуют хвостовое оперение , расположенное в хвостовой части самолета. Другие конструкции хвостового оперения, такие как конфигурация V-образного хвоста , характеризуются стабилизаторами, которые способствуют сочетанию продольной и путевой стабилизации и управления.

Продольная устойчивость и управляемость могут быть достигнуты с помощью других конфигураций крыла, включая схему «утка» , тандемное крыло и бесхвостый самолет .

Некоторые типы самолетов стабилизируются с помощью электронного управления полетом ; в этом случае неподвижные и подвижные поверхности, расположенные в любом месте вдоль самолета, могут служить активными демпферами движения или стабилизаторами.

Горизонтальные стабилизаторы

Boeing 737 использует регулируемый стабилизатор, перемещаемый винтовым домкратом, для обеспечения требуемых усилий балансировки тангажа. На иллюстрации изображен общий стабилизатор.

Горизонтальный стабилизатор используется для поддержания продольного равновесия самолета, или балансировки : [3] он оказывает вертикальную силу на расстоянии, так что сумма моментов тангажа относительно центра тяжести равна нулю. [4] Вертикальная сила, оказываемая стабилизатором, меняется в зависимости от условий полета, в частности, в соответствии с коэффициентом подъемной силы самолета и отклонением закрылков крыла , которые оба влияют на положение центра давления , а также с положением центра тяжести самолета (которое изменяется в зависимости от загрузки самолета и расхода топлива). Трансзвуковой полет предъявляет особые требования к горизонтальным стабилизаторам; когда локальная скорость воздуха над крылом достигает скорости звука, происходит внезапное перемещение центра давления сзади .

Другая роль горизонтального стабилизатора заключается в обеспечении продольной статической устойчивости . Устойчивость может быть определена только тогда, когда транспортное средство находится в состоянии балансировки; [5] она относится к тенденции самолета возвращаться в состояние балансировки, если оно нарушено. [6] Это поддерживает постоянное положение самолета с неизменным углом тангажа относительно воздушного потока, без активного участия пилота. Обеспечение статической устойчивости самолета с обычным крылом требует, чтобы центр тяжести самолета находился впереди центра давления, поэтому стабилизатор, расположенный в задней части самолета, будет создавать подъемную силу в направлении вниз.

Руль высоты служит для управления осью тангажа; в случае полностью подвижного хвоста вся конструкция действует как управляющая поверхность.

Взаимодействие крыла и стабилизатора

Скосы вверх и вниз, связанные с созданием подъемной силы, являются источником аэродинамического взаимодействия между крылом и стабилизатором, что приводит к изменению эффективного угла атаки для каждой поверхности. Влияние крыла на хвост гораздо более существенно, чем противоположный эффект, и может быть смоделировано с использованием теории подъемной линии Прандтля ; однако точная оценка взаимодействия между несколькими поверхностями требует компьютерного моделирования или испытаний в аэродинамической трубе . [7]

Конфигурации горизонтального стабилизатора

Обычный хвостовой стабилизатор

Регулируемый горизонтальный стабилизатор Embraer 170 с маркировкой, показывающей углы дифферента при подъеме и опускании носа.

В обычной конфигурации горизонтальный стабилизатор представляет собой небольшой горизонтальный хвост или хвостовое оперение, расположенное в задней части самолета. Это наиболее распространенная конфигурация.

На многих самолетах хвостовое оперение состоит из неподвижной поверхности, оснащенной шарнирной задней поверхностью руля высоты. Триммеры могут использоваться для уменьшения усилий пилота. В качестве альтернативы некоторые легкие самолеты, такие как Piper PA-24 Comanche и Piper PA-28 Cherokee, имеют цельноповоротный стабилизатор, известный как стабилизатор , без отдельного руля высоты. Стабилизаторы также встречаются во многих сверхзвуковых самолетах, где отдельное управление рулем высоты вызвало бы неприемлемое сопротивление. [8]

Большинство авиалайнеров и транспортных самолетов имеют большой, медленно движущийся триммируемый хвостовой самолет , который объединен с независимо движущимися рулями высоты. Рули высоты контролируются пилотом или автопилотом и в первую очередь служат для изменения положения самолета, в то время как вся сборка используется для балансировки (поддержания горизонтального статического равновесия) и стабилизации самолета по оси тангажа. В Boeing 737 регулируемая система триммирования стабилизатора приводится в действие электрическим домкратным винтом . [9]

Варианты обычной конфигурации включают в себя Т-образное хвостовое оперение , крестообразное хвостовое оперение , двойное хвостовое оперение и хвостовое оперение с двумя балками .

Трёхплоскостной самолёт

Трехплоскостная конфигурация Piaggio P-180 Avanti

Трехплоскостные самолеты, такие как Piaggio P.180 Avanti или Scaled Composites Triumph и Catbird , хвостовое оперение является стабилизатором, как и в обычных самолетах; передняя плоскость, называемая носовым оперением или уткой, обеспечивает подъемную силу и служит в качестве балансировочной поверхности.

Некоторые более ранние трехплоскостные самолеты, такие как Curtiss AEA June Bug или биплан Voisin 1907 , имели обычную компоновку с дополнительной передней поверхностью управления тангажем, которая называлась «элеватором» или иногда «стабилизатором». [10] Из-за отсутствия рулей высоты хвостовые плоскости этих самолетов не были тем, что сейчас называют обычными стабилизаторами. Например, Voisin имел тандемную подъемную компоновку (основное крыло и заднее крыло) с носовой частью, которая не была ни стабилизирующей, ни в основном подъемной; она называлась « équilibreur » («балансир»), [11] и использовалась в качестве поверхности управления тангажем и триммера.

самолет-утка

Конфигурация «утка» Beechcraft Starship

В конфигурации «утка» небольшое крыло, или переднее крыло , расположено перед основным крылом. Некоторые авторы называют его стабилизатором [12] [13] [14] [15] или приписывают только переднему крылу стабилизирующую роль, [16] хотя, что касается устойчивости по тангажу , переднее крыло обычно описывается как дестабилизирующая поверхность, [17] основное крыло обеспечивает стабилизирующий момент по тангажу. [18] [19] [20]

В естественно неустойчивых самолетах поверхности «утка» могут использоваться как активная часть системы искусственной устойчивости и иногда называются горизонтальными стабилизаторами. [21]

Бесхвостый самолет

Конфигурация «Конкорда» без хвоста

У бесхвостых самолетов нет отдельного горизонтального стабилизатора. У бесхвостых самолетов горизонтальная стабилизирующая поверхность является частью основного крыла. [22] [23] Продольная устойчивость бесхвостых самолетов достигается путем проектирования самолета таким образом, чтобы его аэродинамический центр находился позади центра тяжести. Обычно это делается путем изменения конструкции крыла, например, путем изменения угла атаки в направлении размаха ( вымывание или закручивание крыла ) или путем использования загнутых профилей прогиба .

Вертикальные стабилизаторы

Вертикальный стабилизатор обеспечивает курсовую устойчивость (или устойчивость рыскания ) и обычно состоит из неподвижного плавника и подвижного руля направления, шарнирно прикрепленного к его заднему краю. [24] Реже шарнир отсутствует, и вся поверхность плавника поворачивается как для устойчивости, так и для управления. [25]

Когда самолет сталкивается с горизонтальным порывом ветра, устойчивость к рысканию заставляет самолет поворачивать против ветра, а не в том же направлении. [26]

Геометрия фюзеляжа, гондолы двигателей и вращающиеся винты влияют на поперечную статическую устойчивость и определяют требуемый размер стабилизатора. [27]

Не все самолеты имеют вертикальный стабилизатор. Вместо этого стреловидность крыла и двугранный угол могут обеспечить схожую степень курсовой устойчивости, в то время как курсовой контроль часто осуществляется путем добавления сопротивления на сторону самолета, к которой самолет должен быть повернут, либо в форме интерцепторов, либо разделенных элеронов.

Путевая стабилизация и управление без хвоста

Хотя использование вертикального стабилизатора является наиболее распространенным, возможно получить курсовую устойчивость без дискретного вертикального стабилизатора. Это происходит, когда крыло имеет стреловидность назад , и в некоторых случаях, как, например, на крыле Рогалло, часто используемом для дельтапланов , означает, что плавник не нужен.

Комбинированные продольно-путевые стабилизаторы

Beechcraft Bonanza , наиболее распространенный пример конфигурации хвостового оперения V-образного типа.

На некоторых самолетах горизонтальные и вертикальные стабилизаторы объединены в пару поверхностей, называемых V-образным хвостом . В этой конструкции два стабилизатора (киль и рули) установлены под углом 90–120° друг к другу, [примечание 1] давая большую горизонтальную проекционную площадь, чем вертикальную, как в большинстве обычных хвостов. Движущиеся поверхности управления тогда называются рудерваторами . [29] [примечание 2] Таким образом, V-образный хвост действует как стабилизатор рыскания и тангажа.

Хотя может показаться, что конфигурация V-образного хвостового оперения может привести к значительному уменьшению площади смачивания хвостового оперения , она страдает от увеличения сложности управления и приведения в действие, [29] а также от сложного и пагубного аэродинамического взаимодействия между двумя поверхностями. [30] Это часто приводит к увеличению общей площади, что уменьшает или сводит на нет первоначальное преимущество. [29] Легкий самолет Beechcraft Bonanza изначально был спроектирован с V-образным хвостовым оперением.

Существуют и другие комбинированные компоновки. Беспилотный летательный аппарат General Atomics MQ-1 Predator имеет перевернутое V-образное хвостовое оперение . Хвостовые поверхности Lockheed XFV можно описать как V-образное хвостовое оперение с поверхностями, которые простираются через фюзеляж на противоположную сторону. LearAvia Lear Fan имел Y-образное хвостовое оперение . Все двухопорные компоновки с двугранным углом хвостового оперения обеспечивают комбинацию продольной и путевой стабилизации.

Примечания

  1. ^ F-117 Nighthawk , 90° – Фуга Магистр , 105° – Бук Бонанза , 116°
  2. ^ Контраст руля направления и руля высоты .

Ссылки

  1. ^ Оперение - Д. Стинтон Конструкция самолета , Продольная устойчивость - Хёрнер Гидродинамическая подъемная сила - Илан Кроо, Конструкция самолета . При рассмотрении устойчивости (размеры хвоста, площадь хвоста, коэффициент объема стабилизатора) авторы всегда имеют дело со всем блоком, включая рули высоты. Термины «горизонтальное оперение» или «хвост» обычно используются вместо «стабилизатор».
  2. ^ Роскам, Ян (2002). Airplane Design: Pt. 3. Лоуренс: DARcorporation. стр. 287. ISBN 1-884885-56-X. Получено 30 июля 2015 г.
  3. ^ Дэрролл Стинтон, Конструкция самолета , «Продольная балансировка (триммер)».
  4. ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). "4.1 Основы статического равновесия и устойчивости". Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. стр. 377. ISBN 978-0-470-53975-0. Когда органы управления установлены так, что результирующие силы и моменты относительно центра тяжести равны нулю, говорят, что самолет находится в состоянии балансировки , что просто означает статическое равновесие.
  5. ^ WH Phillips, Карьера в исследовательском центре NASA Langley , Глава 4, Летные качества
  6. ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). "4.2 Устойчивость по тангажу изогнутого крыла". Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. стр. 381. ISBN 978-0-470-53975-0. Для того чтобы самолет был статически устойчивым во вращении, любые возмущения по крену, тангажу или рысканию должны приводить к созданию восстанавливающего момента, который вернет самолет в исходное состояние равновесия.
  7. ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). "4.3 Упрощенный анализ устойчивости по тангажу для комбинации крыла и хвостового оперения". Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. стр. 391. ISBN 978-0-470-53975-0.
  8. ^ Абзуг, Малкольм Дж.; Ларраби, Э. Юджин (23 сентября 2002 г.). Устойчивость и управление самолетом: история технологий, сделавших авиацию возможной. Cambridge University Press. стр. 78. ISBN 978-1-107-32019-2. Получено 17 октября 2022 г. . Цельноповоротные хвостовые поверхности стали интересны... когда теория высоких чисел Маха и испытания в трансзвуковой аэродинамической трубе выявили плохую эффективность обычных органов управления типа закрылков.
  9. ^ Федеральный реестр. Управление Федерального реестра, Национальная служба архивов и записей, Администрация общих служб. Июль 1978 г. стр. 32404. Получено 18 октября 2022 г.
  10. ↑ Жерар Хартманн (12 мая 2003 г.), «Les Hydros Farman» (PDF) , Dossiers historiques et technology aéronautique française , le stabilisateur avant sera supprimé en cours d'année («передний стабилизатор будет снят в течение года»)
  11. ^ Габриэль Вуазен, Mes 10 000 cerfs-volants (Мои 10 000 воздушных змеев), стр. 166: «et je m'apprêtais à Tirer sur mon équilibreur… puis il braqua son équilibreur vers la montée».
  12. ^ Гаррисон, П.; «Трое — это компания»; Flying 129 (12), декабрь 2002 г., стр. 85-86: «стабилизатор спереди»... «Это функция стабилизатора. Если он сзади, то он обычно толкает вниз, а если спереди, то поднимает вверх».
  13. ^ Бенсон, Т. (ред.): «Детали и функции самолета», Руководство по аэронавтике для начинающих , Исследовательский центр имени Гленна в НАСА, На первом самолете братьев Райт горизонтальный стабилизатор был размещен перед крыльями.
  14. ^ Патент США US 6064923 A, Самолет с уменьшенной нагрузкой на конструкцию крыла : «...передний стабилизатор, обычно известный как стабилизатор-утка»,
  15. ^ «Части самолета», Руководство для начинающих по аэронавтике , Исследовательский центр имени Гленна в НАСА
  16. ^ Горизонтальный стабилизатор - руль высоты, NASA. На некоторых самолетах устойчивость по тангажу и управление обеспечивается горизонтальной поверхностью, расположенной впереди центра тяжести.
  17. ^ например, в AIR International, май 1999 г., стр. 311, Hoerner и Borst, Fluid Dynamic Lift , стр. 11–29 и стр. 11–33 Delta canard , NASA TM 88354, Взгляд на управляемость конфигураций canard , стр. 14 и Kundu, Aircraft Design , стр. 92,
  18. ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). "4.6 Упрощенный анализ устойчивости по тангажу для комбинации крыла-утки". Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. стр. 425. ISBN 978-0-470-53975-0... устойчивость конфигурации крыло-утка обеспечивается главным крылом, а не уткой.
  19. ^ Совещание AIAA/AHS/ASEE по проектированию, системам и эксплуатации самолетов: ... - Том 2 - Страница 309, «Результаты расчета момента тангажа показывают стабилизирующий эффект крыла и дестабилизирующий эффект переднего горизонтального оперения».
  20. ^ Ф. Х. Николс, Влияние вертикального расположения крыла и вертикального оперения на характеристики устойчивости самолетов схемы «утка» , стр. 9, «Тело также создает существенный дестабилизирующий компонент, который адекватно уравновешивается большим стабилизирующим эффектом крыла».
  21. ^ X-29 ... в то время как его переднее оперение — горизонтальные стабилизаторы для управления тангажем — располагалось перед крыльями, а не на хвосте" [1]
  22. ^ Теория и практика использования летающих крыльев, компонентов апогея
  23. ↑ Заметки об устойчивости и управлении бесхвостыми самолетами, Джонс, Роберт, naca-tn-837, 1941
  24. ^ Дэрролл Стинтон , Конструкция самолета , боковая и путевая устойчивость и вращение
  25. ^ Barnard, RH; Philpott, DR (2010). "10. Управление самолетом". Aircraft Flight (4-е изд.). Harlow, England: Prentice Hall. стр. 271. ISBN 978-0-273-73098-9.
  26. ^ Барбер, Горацио , «Глава II — Устойчивость и управление», The Aeroplane Speaks , Центр электронных текстов, Библиотека Университета Вирджинии
  27. ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). "5 Боковая статическая устойчивость и балансировка". Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-53975-0.
  28. ^ Sweetman, Bill (2005). Lockheed Stealth . North Branch, Minnesota: Zenith Imprint. стр. 73. ISBN 0-7603-1940-5.
  29. ^ abc Raymer, Daniel P. (1999). "4.5 Геометрия и расположение хвоста". Aircraft Design: A Conceptual Approach (3-е изд.). Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. стр. 78. ISBN 1-56347-281-3.
  30. ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). "5.5 Влияние хвостового двугранного угла на устойчивость рыскания". Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. стр. 533. ISBN 978-0-470-53975-0.

Внешние ссылки